Использование Puzzle Box как средство оценки эффективности экологической обогащения

Summary

Environmental enrichment provides a potential protective effect against neurodegenerative disorders. Currently, however, there is no easy way of determining the efficacy of enrichment procedures. This protocol describes a simple “Puzzle Box” method for assessing an animal’s cognitive function, in order to reveal the effectiveness of environmental enrichment.

Abstract

Environmental enrichment can dramatically influence the development and function of neural circuits. Further, enrichment has been shown to successfully delay the onset of symptoms in models of Huntington’s disease ^1-4, suggesting environmental factors can evoke a neuroprotective effect against the progressive, cellular level damage observed in neurodegenerative disorders. The ways in which an animal can be environmentally enriched, however, can vary considerably. Further, there is no straightforward manner in which the effects of environmental enrichment can be assessed: most methods require either fairly complicated behavioral paradigms and/or postmortem anatomical/physiological analyses. This protocol describes the use of a simple and inexpensive behavioral assay, the Puzzle Box ^5-7 as a robust means of determining the efficacy of increased social, sensory and motor stimulation on mice compared to cohorts raised in standard laboratory conditions. This simple problem solving task takes advantage of a rodent’s innate desire to avoid open enclosures by seeking shelter. Cognitive ability is assessed by adding increasingly complex impediments to the shelter’s entrance. The time a given subject takes to successfully remove the obstructions and enter the shelter serves as the primary metric for task performance. This method could provide a reliable means of rapidly assessing the efficacy of different enrichment protocols on cognitive function, thus paving the way for systematically determining the role specific environmental factors play in delaying the onset of neurodevelopmental and neurodegenerative disease.

Introduction

Обогащение окружающей среды (EE) может быть определена как среде, которая дает животных с повышенной возможности для социального взаимодействия, двигательной активности, и более сенсорной стимуляции, чем обычно сталкиваются в стандартной лабораторной environment.EE было показано, что последовательно влияют на поведение животных, вызывая изменения, такие как снижение стресса и тревоги, связанные с деятельностью ^8-10, повышения эффективности в обучении и памяти задач ^8,11, раннее начало координации движений и исследовательской деятельности ^11, изменения в материнской заботе ^8, а также устойчивость к наркотических веществ ^{12 15.} Кроме того, EE было открыто смягчить последствия нейродегенеративных расстройств, задерживая начало и уменьшения выраженности симптомов заболевания в моделях на животных Хантингтона ^1-4,16, Паркинсона ¹⁷ и болезни Альцгеймера ^18.

Эти изменения CORсвязаны с анатомическими и молекулярных изменений ЭЭ, как известно, вызывают по всему мозгу. Животных, выращенных в обогащенных средах с ранних стадиях развития показывают множество нервных изменений, в том числе увеличение веса мозга и коры головного мозга толщиной, дендритные ветвления ^9,2-22 и синаптической плотности ^23. EE может изменить как уровень и сроки фактора роста выражение ^9,24-30, которое было показано способствовать ускоренному развитию сенсорного ^25,26,28,29, мнемонической ^30, а также цепей электродвигателей ^31,32.

Предыдущая работа выявила порой противоречивых выводов при исследовании влияния EE, не принимая во внимание различные типы животных и окружающей среды, используемых в отдельных исследованиях ^9,24,27,30. В настоящее время нет последовательной и простой поведенческих задач, которые могут быть использованы для оценки эффективности различных EE парадигм в различных штаммов и спецификациих годов животных.

Задача головоломки Box был разработан как простой тест, чтобы определить, родной проблема животного способность к решению ^7. Животные, размещенные на открытой площадке, необходимо удалить препятствует материалы, расположенные в небольшое отверстие для того, чтобы получить доступ к перекрытой области / укрытие. Каждый субъект получает три испытания с той же обструкции, чтобы оценить три различные когнитивные атрибуты. Первое испытание дает базовое представление о присущей или родной способности решения проблем. Второе испытание, работать в тот же день, дает некоторое представление о способности животного, чтобы улучшить и, таким образом, подкреплять стратегии для удаления конкретного препятствия. Третье испытание, проведенное на следующий день, дает представление о способности субъекта сохранить и вспомнить выученное решение задачи.

Мотивация для решения этих "Препятствование головоломки" от животных может варьироваться, потенциальновызывая врожденное желание избежать открытого поля и искать убежище, а также неотъемлемое диск, чтобы исследовать их окружение ^6,7. Множество потенциальных поведенческих водителей, лежащих в основе желания решить головоломку Box предполагает, что различные участки мозга участвуют в посредничестве выполнения задач. Предыдущая работа показала, что в мышиных моделях шизофрении, префронтальная кора, а также гиппокамп участвует в приобретении этой задачи ^5. Поражение исследования на крысах показало также большое количество участков мозга, участвующих в выполнении Puzzle Box, в том числе различных ядер таламуса, гипоталамуса, мозжечка и лимбических структур. Вместе взятые, эти результаты показывают, что участие в этом решении проблемы, включает в себя множество нервных структур, связанных с когнитивной функции.

Puzzle Box успешно используется для оценки решения проблем способности мышей, а также когнитивных нарушений, демонстрируемое мМодели мочи шизофрении ^5-7. Производительность на задаче было показано, весьма последовательным, и хорошо коррелируют с результатами других когнитивных поведенческих тестов ^6. Целью данной работы было, таким образом, чтобы адаптировать задачи и головоломки Box стать простой и надежный способ определения эффективности EE.

Protocol

Заявление по этике: Все процедуры были одобрены комитетом по этике животного университета Сиднея и соответствовала национального здравоохранения и медицинских исследований Совета руководящих принципов Австралия. Процедуры проводились на мышах C57 / BL6J, которые воспитывались в универ…

Representative Results

Результаты, описанные здесь, репрезентативная выборка, с данными, полученными от нескольких когорт, состоящих из разных пометов. Все поведенческие испытания проводились между 0700 и 1100 ч с рандомизированном тестирования порядке животных в когорте. Животных, выращенных в обогащенной сре…

Discussion

Представленные данные показывают, что головоломки коробка может быть эффективно использован для оценки воздействия ЭО. Мыши, поднятые в обогащенных средах последовательно взял значительно меньше времени, чтобы решить обструкции головоломки в этой поведенческой анализа, чем сделал ж…

Materials

Black Acrylic Board			750 x 280 mm
White Acrylic Board			280 x 250 mm
White Acrylic Board			280 x 250 mm
White Acrylic Board			750 x 250 mm
White Acrylic Board			750 x 250 mm
White Acrylic Board			150 x 280 mm
White Acrylic Board			280 x 250 mm with a 40 x 40 mm "door" cut into one side
Underpass			3 pieces of 40 x 120 mm plexiglass or acrylic
			Note: If unable to access acrylic board, plexiglass or similar non-porous material will suffice.
Webcam	Logitech	C210	Fix to roof with electrical tape. Alternatively, use a tripod.
VirtualDub v1.10.4	VirtualDub	N/A	Software for recording behaviour videos. Input from webcam.
TopScan v 3.0	CleverSys Inc.	N/A	Software for automated top-view tracking and analysis of mouse behaviour. Captured videos are analysed post-hoc.